Слева направо: старший научный сотрудник, к. ф.-м. н. Алла Чеботарева, старший научный сотрудник, к. ф.-м. н. Татьяна Кост, ведущий научный сотрудник, к. ф.-м. н. Геннадий Унтила
Сотрудники отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ - Алла Чеботарева, Татьяна Кост, Геннадий Унтила - предложили инновационную конструкцию солнечных элементов Laminated Grid Cell (LGCell), чтобы уменьшить стоимость вырабатываемой ими электроэнергии. Статья о работе «Двусторонний концентраторный солнечный элемент из кристаллического кремния n-типа без применения серебра» опубликована в журнале «Progress in photovoltaics: research and applications» (с импакт-фактором 7.712). Заметим, что в журнале это первая статья, подготовленная исключительно российскими авторами.
«Конструкция LGCell родилась и развивается именно в НИИЯФ. Её изюминка – проволоки и плёнки прозрачного проводящего оксида; этим занимаемся мы. Соавторы из компании «Солнечный ветер» изготавливают диффузионные кремниевые структуры для LGCell, а из ФТИ им. А.Ф. Иоффе несут ответственность за корректность измерений параметров солнечных элементов», - рассказал ведущий научный сотрудник отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ, кандидат физико-математических наук Геннадий Унтила.
В научной статье авторы работы поясняют: чтобы снизить стоимость электроэнергии, вырабатываемой солнечными элементами из кристаллического кремния, необходимо уменьшать их толщину, сделать двусторонними, концентраторными, изготовить из кремния n-типа без применения серебра. Почему?
Толщину нужно уменьшать потому, что более половины стоимости солнечного модуля составляет цена кремниевых пластин. Сделав двусторонними солнечные элементы, можно увеличить энерговыработку фотоэлектрических систем за счёт использования света, падающего на тыльную поверхность, например, на 10-50%. Концентрирование света с помощью дешёвых линз и отражателей позволяет увеличить энерговыработку фотоэлектрических систем без увеличения площади дорогостоящих солнечных элементов. Изготовление солнечных элементов из кремния n-типа предпочтительнее по двум причинам: он менее чувствителен к обычным примесям (например, Fe) и дефектам; стабилен. Отказ от применения серебра связан с ростом на него цены. Все из перечисленных требований соблюдаются в инновационной конструкции солнечных элементов Laminated Grid Cell.
LGCell состоит из электродов из плёнок прозрачного проводящего оксида (TCO), нанесённых на обе поверхности солнечных элементов, которые одновременно выполняют роль антиотражающего и пассивирующего покрытия; а также контактной сетки из проволоки, прикреплённой к поверхности ТСО низкотемпературным ламинированием (рисунок 1).
Контакты LGCell симметричны (лицо/тыл), что позволяет изготавливать двусторонние солнечные элементы и уменьшать их толщину с минимальным риском их повреждения, применимы к солнечным элементам из кремниевых пластин как p-, так и n-типа, обеспечивают сочетание рекордно низких резистивных и оптических потерь, что позволяет использовать солнечные элементы в низкоконцентраторных системах, а также LGCell не содержит серебро.
Рис. 1. Двусторонний концентраторный солнечный элемент конструкции Laminated Grid Cell на основе (p+nn+)c-Si структуры с плёнкой ITO (Indium Tin Oxide) на p+ поверхности и плёнкой IFO (Indium Fluorine Oxide) на n+ поверхности, проволочной контактной гребёнкой; коммутационные шины расположены рядом с солнечным элементом
На рисунке 2 приведена история увеличения параметров двусторонних концентраторных солнечных элементов конструкции LGCell, из которого видно, что за последние менее чем 2 года КПД LGCell при лицевом освещении (ηF) был увеличен на ~1%, с 16.6% до 17.6%, а КПД при тыльном освещении (ηR) – на 3.5%, с 14.6% до 18.1%!
Рис. 2. История изменения эффективности солнечных элементов LGCell при освещении с лица (ηF) и с тыла (ηR), а также предельной концентрации света Сmax
Учёные провели также сравнение параметров изготовленного сотрудниками НИИЯФ МГУ солнечного элемента LGCell и коммерчески доступного высокоэффективного двустороннего солнечного элемента из кремния n-типа (Reference Cell) в условиях освещения концентрированным светом. Результаты приведены на рисунке 3. Видно, что при C = 1X КПД у LGCell ниже, чем у Reference Cell, однако при C = 4–5X КПД у LGCell значительно выше.
Рис. 3. Изменение КПД с ростом концентрации света для двух солнечных элементов из кремния n-типа: двустороннего концентраторного LGCell и коммерчески доступного высокоэффективного двустороннего солнечного элемента (Reference Cell)
Причина состоит в том, что величина последовательного сопротивления у Reference Cell более чем в два раза меньше. Преимущество LGCell достигнуто именно за счёт проводящего покрытия и проволочных контактов.
Авторы работы заявляют, что сочетание в одном солнечном элементе свойств двусторонности и концентраторности, которыми характеризуется солнечный элемент конструкции LGCell, не имеет аналогов.